JPH09209780A - コンバインドサイクル発電設備 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 原油蒸留技術を利用した油焚きガスタービン
コンバインドサイクル発電設備であって、負荷変動に対
応した燃料の供給が容易化できるコンバインドサイクル
発電設備を提供すること。 【解決手段】 原油を所定の蒸留温度で蒸留して低沸点
留分と高沸点留分とに分離し、前記低沸点留分をガスタ
ービンの燃料として使用し、前記高沸点留分を蒸気ター
ビン用ボイラの燃料として使用するコンバインドサイク
ル発電設備において、前記低沸点留分よりなるガスター
ビンの燃料を貯留し、この燃料をガスタービンに供給す
べくガスタービンに接続されたタービン燃料タンクと、
前記高沸点留分よりなるボイラの燃料を貯留し、この燃
料をボイラに供給すべくボイラに接続されたボイラ燃料
タンクのうち、少なくともいずれか一つを設けたことを
特徴とするコンバインドサイクル発電設備。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は発電負荷の変動に対
応して燃料の供給を容易に調整できる油焚きガスタービ
ンコンバインドサイクル発電設備に関する。

【０００２】

【従来の技術】現在日本における火力発電は、ボイラに
より生じた高温高圧の蒸気で蒸気タービンを回転させて
発電する方式が主なものである。そのボイラ用燃料とし
ては、主に重油や原油が使用されているが、それらの中
で、原油焚きの場合はワックス分が多く、かつＳＯｘの
発生量の少ない低硫黄含有原油、例えばミナス産原油や
大慶産原油が好んで使用されている。そのほか、最近で
は良質燃料であるＬＮＧを用いたコンバインドサイクル
発電設備も採用されている。

【０００３】前記原油や重油のボイラ焚き及び蒸気ター
ビンによる発電では、熱効率が４０％前後ＨＨＶ基準
（ＨＨＶ：高位発熱量）と比較的低い。これに対して、
ＬＮＧ焚きで採用されているコンバインドサイクル発電
は、燃料の燃焼により高温高圧ガスを発生させ、それに
よりタービンを回転させて発電し、その高温排ガスをボ
イラで再燃させて蒸気タービンを運転し再度発電する方
法（いわゆる排気再燃型）であり、熱効率が４８％前後
ＨＨＶ基準と飛躍的に向上する。

【０００４】このため、石油消費量増大抑制の見地か
ら、より熱効率の高い発電方式へと転換を迫られている
近年においては、上記コンバインドサイクル発電の発展
が強く望まれている。ところが従来のＬＮＧのコンバイ
ンドサイクル発電では、ＬＮＧが貯蔵にコストがかかる
上、石油火力発電所へＬＮＧを供給する場合、パイプラ
イン埋設などに高コストがかかる。

【０００５】一方、原油を燃料とするいわゆる油焚きガ
スタービンコンバインドサイクル発電については、欧米
で実施された例もあるが、原油に含まれる不純物により
トラブルが多く発生し、保守費用が嵩むという問題があ
り、この点で実用化に難があった。その理由は、原油に
含まれる塩分、バナジウム及び硫黄分が相互に影響して
ガスタービン中で低融点の物質となりブレードに付着
し、ブレードの腐食を起こすためである。このため、ガ
スタービン用の燃料としては、塩分及びバナジウム分の
含有濃度をそれぞれ０．５ｐｐｍ以下とする基準が一般
的に採用されており、また、硫黄分についても０．５重
量％以下程度であるのが好ましいとされているが、前記
ミナス産原油や大慶産原油のような低硫黄含有原油でも
これら基準の全てを満足することはできず、熱効率のよ
いコンバインドサイクル発電のガスタービン燃料として
はそのまま利用することはできなかった。したがって、
結果として原油をガスタービンの燃料とする油焚きガス
タービンコンバインドサイクル発電の実用化も困難であ
った。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明者らは、原油を
ガスタービンコンバインドサイクル発電用燃料として使
用する方法について検討を進め、ガスタービンで使用す
る燃料としては上記基準のように不純物含有量の少ない
燃料が望ましいものの、ボイラ用燃料としては不純物含
有量の制限が比較的緩やかであることに着目し、上記不
純物の問題を解決するものとして、脱塩処理された原油
を所定の温度で蒸留して低沸点留分と高沸点留分とに分
離し、不純物含有量の少ない低沸点留分をガスタービン
の燃料として使用し、一方不純物含有量の多い高沸点留
分を蒸気タービン用ボイラの燃料として使用するとい
う、原油蒸留技術を利用した油焚きガスタービンコンバ
インドサイクル発電方法を提案し（特開平６−２０７１
８０号公報参照）、実用化を検討中である。ところがこ
の発電方法では、蒸留塔で生成したそれぞれの燃料をガ
スタービンあるいはボイラに直接供給する構成が採られ
ていたため、電力需要の変動に伴う発電負荷の変動に対
して柔軟に対応することが困難であった。すなわち、従
来は発電負荷の変動があると、ガスタービン燃料として
の低沸点留分の生成量と、ボイラ燃料としての高沸点留
分の生成量との比率を所望の値に制御しつつ、蒸留塔に
おける原油処理量（燃料の全体的な供給量）を発電負荷
の変動に応じて変化させるという難しい運転操作が必要
であった。

【０００７】そこで本発明は、原油蒸留技術を利用した
油焚きガスタービンコンバインドサイクル発電設備であ
って、負荷変動に対応した燃料の供給が容易化できるコ
ンバインドサイクル発電設備を提供することを目的とし
ている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は原油を所定の蒸
留温度で蒸留して低沸点留分と高沸点留分とに分離し、
前記低沸点留分をガスタービンの燃料として使用し、前
記高沸点留分を蒸気タービン用ボイラの燃料として使用
するコンバインドサイクル発電設備において、前記低沸
点留分よりなるガスタービンの燃料を貯留し、この燃料
をガスタービンに供給すべくガスタービンに接続された
ガスタービン燃料タンクと、前記高沸点留分よりなるボ
イラの燃料を貯留し、この燃料をボイラに供給すべくボ
イラに接続されたボイラ燃料タンクのうち、少なくとも
いずれか一つを設けたことを特徴とするコンバインドサ
イクル発電設備である。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下本発明の実施の形態の１例を
図面に基づいて説明する。図１は、本発明のコンバイン
ドサイクル発電設備における燃料供給系統の構成の１例
を示し、図２は同コンバインドサイクル発電設備におけ
る発電系統の構成の１例を示している。この発電設備の
燃料供給系統は主な構成機器として図１に示すように原
油タンク１、原油供給ポンプ２、原油予熱器３〜６、原
油加熱炉７、蒸留塔８、凝縮器９、ガスタービン燃料供
給ポンプ１０、還流ポンプ１１、ガスタービン燃料タン
ク１２、ボイラ燃料供給ポンプ１３、ボイラ燃料タンク
１４、給水予熱器１５、１６を備えている。

【００１０】原油タンク１は原油を貯留するもので、こ
の原油としては脱塩処理された低硫黄原油を使用するの
が好ましい。この低硫黄原油としては、排ガスの脱硫工
程を簡略化できることから、できるだけ硫黄含有量の少
ないものが好ましいことはいうまでもないが、通常硫黄
含有量が１重量％以下、さらに好ましくは０．５重量％
以下の原油が用いられる。このような原油としては、前
述のミナス産原油や大慶産原油等を挙げることができ
る。なお、原油中に含まれる硫黄分のほとんどは後述す
る蒸留により分離されるので、本発明における原油とし
ては必ずしも上記のような低硫黄原油を用いる必要はな
い。

【００１１】また、原油に含まれる塩分は、蒸留塔８に
よる蒸留により高沸点留分側に残留しやすく、蒸留の温
度条件によっては、低沸点留分の塩分含有量が前述の基
準値（０．５ｐｐｍ）以下となるので、本発明における
原油は必ずしも脱塩処理されている必要はない。

【００１２】また、脱塩処理を同一設備内で実施する場
合には、原油を予め８０〜１５０℃程度に加熱する加熱
手段を設けるとともに、例えば周知の脱塩手段であるデ
ィソルターを必要に応じて複数段設ければよい。このデ
ィソルターは加熱した原油と淡水を混合し、例えば２万
ボルト程度の静電圧を印加して水滴を凝集させて分離す
るものであり、原油の粘度を下げるとともに水と原油の
比重差による分離を容易にするため、前述のように原油
を予め加熱するのが好ましい。なお、原油タンク１から
原油加熱炉７まで原油を送給する原油供給ライン２１の
途上に上記ディソルターを配設し、原油予熱器３〜６の
うちの幾つかを上記脱塩処理のための加熱手段として機
能させることもできる。

【００１３】原油供給ポンプ２は、原油タンク１内の原
油を送り出し、原油供給ライン２１を介して原油加熱炉
７、さらには蒸留塔８へと圧送するものである。原油加
熱炉７は、この場合、原油タンク１内の原油あるいは発
電燃料とは別に用意された原油、軽油、灯油、ナフサ、
ＬＰＧなどを燃焼させて蒸留塔８に送られる原油を所定
の蒸留温度まで加熱するものである。なお、蒸留温度
（蒸留塔８の入口における原油温度）は、ガスタービン
用燃料となる低沸点留分のバナジウムや塩分あるいは硫
黄分の含有量が所望の値になるように、原油の性状等に
応じて決定すればよいが、例えば３４０°Ｆ〜６５０°
Ｆ程度である。

【００１４】原油予熱器３、４あるいは原油予熱器５、
６は、この場合、蒸留塔８の塔頂から導出されたガス
（すなわち低沸点留分）、あるいは蒸留塔８の塔底から
導出された液（すなわち高沸点留分）からそれぞれ２段
階で熱回収し、原油加熱炉７に送られる前に原油を順次
加熱する熱交換器であり、これにより原油の加熱効率が
アップして原油加熱炉７の負担が軽くなる。

【００１５】蒸留塔８は、この場合、還流ポンプ１１及
び還流ライン２２により塔頂から導出された低沸点留分
が液として戻されて、原油の発生蒸気と向流的に接触し
て分離度を高める方式の蒸留塔（いわゆる精留塔）であ
り、具体的には例えば泡鐘塔や多孔板塔、あるいは充填
塔が使用できる。凝縮器９は、液ライン２３により蒸留
塔８の塔頂から導出されたガス（すなわち低沸点留分）
を最終的に冷却して凝縮させる、例えば多管式熱交換器
であり、この場合凝縮しきれなかったガス（オフガス）
が頂部から排出される。そして、この凝縮器９で凝縮さ
れた原油の低沸点留分は、底部から抜き出されて、一部
が還流ポンプ１１及び還流ライン２２により蒸留塔８に
戻され、残りがガスタービン燃料としてガスタービン燃
料供給ポンプ１０によりガスタービン燃料タンク１２に
送られる構成となっている。

【００１６】また、ボイラ燃料供給ポンプ１３は、蒸留
塔８の塔底から導出された液（すなわち高沸点留分）を
液ライン２４によりボイラ燃料タンク１４に圧送するも
のである。なお、給水予熱器１５、１６は蒸留塔８の塔
頂から導出されたガス（すなわち低沸点留分）、あるい
は蒸留塔８の塔底から導出された液（すなわち高沸点留
分）から熱回収し、後述するボイラ３５に送られるボイ
ラ給水を加熱する熱交換器である。

【００１７】そして、ガスタービン燃料タンク１２ある
いはボイラ燃料タンク１４は、蒸留塔８の塔頂から導出
された低沸点留分、あるいは蒸留塔８の塔底から導出さ
れた高沸点留分をそれぞれ貯留する貯留タンクであり、
例えば半日から一日分の燃料が貯留可能な容量に設定さ
れている。

【００１８】次に、この発電設備の発電系統は、主な構
成機器として、図２に示すように、タービン本体３１、
圧縮機３２及び燃焼器３３からなるガスタービン３４、
ボイラ３５、蒸気タービン３６、復水器３７、エコノマ
イザー３８を備えている。ここでガスタービン３４は、
燃焼器３３において、ガスタービン燃料タンク１２から
供給ライン４１を介して供給されたタービン燃料を、圧
縮機３２により圧縮された空気と接触させて燃焼させ、
タービン３１におけるこの燃焼ガスの膨張により出力軸
を回転させて発電する周知のもので、この場合、排気再
燃型のコンバインドサイクルを形成すべく、燃焼後の排
ガス（残酸素濃度１１〜１５％程度、温度５８０℃程
度）が排ガスライン４２を経由してボイラ３５に供給さ
れる構成となっている。

【００１９】ボイラ３５は、例えばスターリングボイラ
であり、対流伝熱部３５ａを有する。このボイラ３５に
は、燃料として前述のボイラ燃料タンク１４内の高沸点
留分が供給ライン４３を経由して供給され、またこのボ
イラ３５の排煙は排煙導出ライン４４を介して、図示省
略した脱硝装置や集塵装置を経由するとともに、エコノ
マイザ３８により熱回収されて、図示省略した煙突に導
かれて大気中に放出される。なお、原油の性状によって
はこの排煙中から硫黄分（特に亜硫酸ガス）を除去する
脱硫装置を設けてもよい。

【００２０】また、エコノマイザ３８は、蒸気サイクル
の熱効率向上のためにボイラ３５の排煙の熱によりボイ
ラ給水を加熱する熱交換器である。なお、図２では煩雑
になるので図示省略しているが、蒸気タービン３６とし
ては、いわゆる再熱サイクルを形成すべく、高圧、中
圧、低圧といった具合に複数段の蒸気タービンを備えた
構成とするとともに、また、いわゆる再生サイクルを形
成すべく、複数の抽気給水加熱器を設けて、熱効率を高
度に確保した構成とするのが当然好ましい。この場合に
は、図１に示した給水予熱器１５、１６（図２では図示
省略）も、復水器３７からボイラ３５に送られる給水を
加熱し、蒸気サイクルの熱効率をさらに高めている。

【００２１】以上のように構成されたコンバインドサイ
クル発電設備によれば、簡単な運転操作で実用性高く原
油の蒸留を行って、ガスタービン３４に適した燃料（低
沸点留分）を連続的に供給し、前述したような不純物に
起因するガスタービン３４のブレード金属の腐食といっ
た問題点を回避しつつ、コンバインドサイクル発電の利
点を生かした高効率な発電が実用的に可能になる。すな
わち、原油タンク１から原油供給ポンプ２により送り出
された原油は、原油予熱器３〜６により例えば２７０℃
程度まで加熱された後、この場合独立に設けられた原油
加熱炉７により最終的に所定の蒸留温度（例えば３６０
℃）まで加熱される。このように蒸留温度が所定の温度
に維持されれば、蒸留塔８の塔頂から導出される低沸点
留分（すなわち、ガスタービン燃料）のバナジウムや塩
分の含有濃度は、容易に基準値の０．５ｐｐｍ（ｗ
ｔ．）以下に安定して維持できるし、また硫黄分につい
ても０．５〜０．０５重量％以下に維持できる。

【００２２】そして重金属は、常圧蒸留の場合、ほとん
どが約９００°Ｆ（約５００℃）以上の高沸点留分に残
留し、また塩分についても７８８°Ｆ（約４２０℃）以
上の高沸点留分に残留するため、この場合これらほとん
どの不純物が高沸点留分側に残留し、ボイラ燃料タンク
１４に送られるボイラ燃料中に含まれることになる。な
お、ボイラ３５では、従来より重油等を燃焼させている
ので、このような不純物が含まれた燃料でもなんら問題
なく運転可能である。こうして、上記不純物濃度が十分
に低い燃料がガスタービン燃料タンク１２から連続的に
ガスタービン３４に供給され、ガスタービン３４から排
出される高温の排ガスがボイラ３５に導入されて再燃さ
れるようにすることで、貯蔵が容易な原油を使用した高
効率なコンバインドサイクル発電が、原油中の不純物に
起因するトラブルを発生させることなく信頼性高く実施
できる。

【００２３】しかも本例では、蒸留塔８の塔頂から導出
された低沸点留分、あるいは蒸留塔８の塔底から導出さ
れた高沸点留分をそれぞれ半日から一日分の量まで貯留
する貯留タンク（ガスタービン燃料タンク１２あるいは
ボイラ燃料タンク１４）を備えており、これらタンクが
バッファとして機能する。このため、少なくとも一日程
度の期間に起こる発電負荷の変動に対しては、燃料の生
成量（蒸留の処理量）を変化させる必要はなく、原油タ
ンク１から原油供給ポンプ２により送り出す原油の供給
量や原油加熱炉７の加熱量を平均的な一定量のままとし
て、運転操作あるいは運転制御を容易化できる。

【００２４】なお、本例では、低沸点留分よりなるガス
タービンの燃料を貯留する貯留タンク（ガスタービン燃
料タンク１２）と高沸点留分よりなる蒸気タービン用ボ
イラの燃料を貯留する貯留タンク（ボイラ燃料タンク１
４）の両者を同時に設置した態様を例示しているが、こ
れら貯留タンクのうちいずれか一つを設置した態様でも
よい。この場合でも、ガスタービンの燃料の必要量と蒸
気タービン用ボイラの燃料の必要量のうち、主に貯留タ
ンクの設けられていない一方の変動のみを連続的に満足
するように、原油の供給量や原油加熱炉７の加熱量を制
御すればよくなるので運転操作あるいは運転制御が従来
に比し容易になる。

【００２５】

【発明の効果】本発明のコンバインドサイクル発電用設
備においては、原油を所定の蒸留温度で蒸留して低沸点
留分と高沸点留分とに分離し、前記低沸点留分をガスタ
ービンの燃料として使用し、前記高沸点留分を蒸気ター
ビン用ボイラの燃料として使用するコンバインドサイク
ル発電設備において、低沸点留分よりなるガスタービン
の燃料を貯留するガスタービン燃料タンクと、高沸点留
分よりなる蒸気タービン用ボイラの燃料を貯留するボイ
ラ燃料タンクのうち、少なくともいずれか一つをもうけ
るようにしている。このため、各タンクの容量で吸収で
きる発電負荷お変動に対しては、少なくともガスタービ
ン燃料及びボイラ燃料の両方の生成量（蒸留の処理量）
を変動に応じて連続的に変化させる必要はなく、運転操
作あるいは運転制御を容易化できる。すなわち、低沸点
留分よりなるガスタービンの燃料を貯留するガスタービ
ン燃料タンクと、高沸点留分よりなる蒸気タービン用ボ
イラの燃料を貯留するボイラ燃料タンクのうちのいずれ
か一つを設置した場合でも、ガスタービン燃料の必要量
と、ボイラ燃料の必要量のうち、主にタンクの設けられ
ていない一方の変動のみを連続的に満足するように、原
油の供給量や加熱量を制御すればよくなるので、運転操
作あるいは運転制御が容易になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のコンバインドサイクル発電設備の１実
施態様について、その燃料供給系統の構成例を示す図。

【図２】本発明のコンバインドサイクル発電設備の１実
施態様について、その発電系統の構成例を示す図。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 原油を所定の蒸留温度で蒸留して低沸点
   留分と高沸点留分とに分離し、前記低沸点留分をガスタ
   ービンの燃料として使用し、前記高沸点留分を蒸気ター
   ビン用ボイラの燃料として使用するコンバインドサイク
   ル発電設備において、前記低沸点留分よりなるガスター
   ビンの燃料を貯留し、この燃料をガスタービンに供給す
   べくガスタービンに接続されたガスタービン燃料タンク
   と、前記高沸点留分よりなるボイラの燃料を貯留し、こ
   の燃料をボイラに供給すべくボイラに接続されたボイラ
   燃料タンクのうち、少なくともいずれか一つを設けたこ
   とを特徴とするコンバインドサイクル発電設備。